L-Planner: Uma Ferramenta Para o Planejamento de Redes
em Malha Sem Fio Lineares
Felipe Rolim e Souza e C´elio V. N. Albuquerque
1Instituto de Computac¸˜ao - Universidade Federal Fluminense (UFF)
{frolim,celio}@ic.uff.br
Abstract. Wireless mesh networks consist of mesh routers and clients, where mesh routers compose the network backbone and serve clients. With this in-formation in hand, the objective of this work is to present the L-Planner tool, responsible for assisting the backbone design of linear wireless mesh networks. Using a set of coordinates organized in sequence as input data, this construction must guarantee coverage (each coordinate must be within the coverage area of at least one mesh router) and connectivity (communication between the first and last coordinates must exist).
Resumo. Redes em malha sem fio s˜ao compostas por roteadores mesh e cli-entes, onde os roteadores comp˜oem o backbone da rede e atendem os clientes. Considerando estas informac¸˜oes, o objetivo deste trabalho ´e apresentar a ferra-menta L-Planner, respons´avel por auxiliar a construc¸˜ao do backbone de redes em malha sem fio lineares. Utilizando um conjunto de coordenadas organi-zadas em sequˆencia como parˆametro de entrada, esta construc¸˜ao deve garantir cobertura (cada coordenada deve estar dentro da ´area de cobertura de pelo me-nos um roteador mesh) e conectividade (comunicac¸˜ao entre a primeira e ´ultima coordenada deve existir).
1. Introduc¸˜ao
Redes em malha sem fio s˜ao compostas por roteadores e clientes mesh. Os roteadores normalmente s˜ao estacion´arios e formam o backbone de rede. A comunicac¸˜ao com outras redes como a Internet, LANs, etc., ´e realizada atrav´es de roteadores configurados como gateways. Uma vantagem deste tipo de rede ´e a robustez, j´a que os roteadores se comu-nicam de forma ad-hoc atrav´es de m´ultiplos saltos. Desta forma, como cada n´o pode ser um potencial roteador auxiliando no encaminhamento, quanto maior a quantidade de n´os, maior a quantidade de rotas alternativas na rede.
O objetivo deste trabalho ´e apresentar a ferramenta L-Planner 1, respons´avel por realizar o planejamento de redes em malha sem fio lineares. Utilizando o algoritmo LMP (Linear Mesh network Planning) [Souza and Albuquerque 2010], esta ferramenta permite, n˜ao s´o a configurac¸˜ao dos parˆametros do algoritmo de forma simplificada, como tamb´em a visualizac¸˜ao da topologia e suas respectivas m´etricas de custo e desempenho.
Dentre as poss´ıveis topologias que redes em malha sem fio podem assu-mir [Robinson and Knightly 2007], a ferramenta L-Planner trabalha com redes em malha sem fio lineares. Este tipo de rede possui um conjunto de pontos de interesse organizados
de forma sequencial, onde o primeiro e o ´ultimo atuam como gateways. Roteadores mesh podem ser instalados em qualquer ponto de interesse. Dentre os tipos de antenas que podem ser utilizados, as direcionais atendem melhor a esta topologia pois a comunicac¸˜ao ´e realizada com roteadores anteriores e posteriores, n˜ao existindo a necessidade de co-bertura em outras direc¸˜oes. A comunicac¸˜ao pode ser estabelecida com duas antenas direcionais, uma alinhada no sentido do roteador anterior e outra no sentido do poste-rior. Al´em disso, o alcance de antenas direcionais ´e maior que o de omnidirecionais. Esta configurac¸˜ao foi escolhida devido a um problema real de estabelecimento de comunicac¸˜ao ao longo de uma linha de transmiss˜ao de energia abordado pelo projeto REMOTE (REde de MOnitoramento para linhas de Transmiss˜ao de Energia) [Gerk et al. 2009]. Neste cen´ario existe um conjunto de torres, representado pela linha de transmiss˜ao que liga as cidades de Machadinho a Campos Novos, pertencente `a TBE (Transmissoras Brasileiras de Energia), onde se deve escolher em quais delas ser˜ao instalados roteadores mesh.
Atualmente, a ferramenta L-Planner est´a sendo utilizada no planejamento da rede em malha sem fio que ser´a instalada ao longo da linha de transmiss˜ao de energia que liga as cidades de Imperatriz `a Ac¸a´ılˆandia, tamb´em pertencente a empresa TBE.
2. Trabalhos relacionados
Antes do desenvolvimento da ferramenta L-Planner, o planejamento de redes em malha sem fio lineares no projeto REMOTE era realizado utilizando a ferramenta gratuita Radio Mobile [Coud´e 1988]. Em desenvolvimento desde 1988, o objetivo desta ferramenta ´e permitir que o desempenho de um sistema de r´adio seja avaliado antes de sua implantac¸˜ao. Para isso, a ferramenta Radio Mobile permite, principalmente, a utilizac¸˜ao de diferentes padr˜oes de irradiac¸˜ao, que tamb´em podem ser fornecidos pelo usu´ario, e a utilizac¸˜ao de informac¸˜oes topogr´aficas. As informac¸˜oes de terreno s˜ao de fundamental importˆancia pois possuem impacto direto na propagac¸˜ao do sinal.
A principal diferenc¸a entre a ferramenta L-Planner e a Radio Mobile ´e que, na ´ultima, o planejamento deve ser realizado de forma manual. Assim, o usu´ario deve anali-sar todas as coordenadas, verificando a possibilidade de estabelecimento de comunicac¸˜ao, a fim de escolher as melhores opc¸˜oes para a construc¸˜ao do backbone. Na ferramenta L-Planner, esta escolha ´e feita de forma autom´atica pelo algoritmo LMP, incluindo a an´alise de viabilidade de comunicac¸˜ao e an´alise de obst´aculos.
3. A ferramenta L-Planner
O objetivo desta sec¸˜ao ´e apresentar o funcionamento do algoritmo LMP e o projeto de desenvolvimento da interface gr´afica que comp˜oem a ferramenta L-Planner. Com o ob-jetivo de alcanc¸ar a independˆencia entre interface gr´afica e algoritmo, ambos foram im-plementados como projetos separados. Isto permite que o algoritmo seja executado sem a necessidade da interface gr´afica e que esta suporte outros algoritmos.
Ambos os projetos foram desenvolvidos utilizando a linguagem C++, por´em uti-lizando bibliotecas diferentes. Visando a utilizac¸˜ao em diferentes sistemas operacionais, o algoritmo LMP foi implementado apenas utilizando as bibliotecas padr˜oes da lingua-gem C++, permitindo ser compilado em diferentes ambientes. A interface gr´afica, por sua vez, foi implementada utilizando a biblioteca MFC 9.0 (Microsoft Foundation Clas-ses) [Microsoft 2007], permitindo seu uso apenas nos sistemas operacionais Windows.
Esta biblioteca ´e composta por um conjunto de classes que encapsulam grande parte da API do sistema operacional Windows.
A Figura 1 apresenta a interface principal da ferramenta. Na regi˜ao identifi-cada pelo n´umero 1, os bot˜oes respons´aveis pela manipulac¸˜ao dos dados de entrada e configurac¸˜ao de visualizac¸˜ao est˜ao localizados. Na Regi˜ao 2, as coordenadas e m´etricas s˜ao exibidas. A Regi˜ao 3 ´e a respons´avel pela representac¸˜ao geogr´afica das coordenadas. Detalhes da coordenada localizada sob o cursor do mouse s˜ao exibidos na Regi˜ao 4. Por ´ultimo, a barra de informac¸˜oes exibida na Regi˜ao 5 permite que o algoritmo LMP seja executado. Maiores detalhes destas regi˜oes ser˜ao apresentados na Subsec¸˜ao 3.2.
Figura 1. Interface principal da ferramenta L-Planner.
3.1. Funcionamento do algoritmo LMP
Uma das vantagens da ferramenta L-Planner ´e o planejamento autom´atico realizado pelo algoritmo LMP. Dado um conjunto de coordenadas organizadas de forma sequencial, o al-goritmo LMP seleciona quais delas ser˜ao escolhidas para receber um par de antenas dire-cionais e um roteador mesh, que juntos comp˜oem um kit mesh. Esta escolha deve garantir duas propriedades: conectividade e cobertura. A primeira delas define que comunicac¸˜ao entre a primeira e ´ultima coordenada deve existir, enquanto a segunda estipula que to-das as coordenato-das devem estar dentro da ´area de cobertura de pelo menos um kit mesh. Para tentar se aproximar o m´aximo do cen´ario real, padr˜oes de irradiac¸˜ao e an´alise de obst´aculos s˜ao utilizados. O diagrama da Figura 2 exibe a sequˆencia de operac¸˜oes ne-cess´arias para a construc¸˜ao do backbone da rede.
Figura 2. Sequ ˆencia de execuc¸ ˜ao do algoritmo LMP.
Inicialmente, uma sequˆencia de coordenadas deve ser fornecida para que o grafo de alinhamento possa ser constru´ıdo. Neste grafo, os v´ertices s˜ao as coordenadas e uma aresta entre dois v´ertices i e j existe se j for a melhor opc¸˜ao de alinhamento de i. Para rea-lizar esta escolha, o c´alculo da ´area de cobertura, a verificac¸˜ao de prioridade de escolha e a an´alise de obst´aculos s˜ao utilizados. Deve-se ressaltar que a melhor opc¸˜ao de alinhamento n˜ao ´e sim´etrica, fazendo com que o grafo de alinhamento seja direcionado. Outro detalhe importante ´e que cada v´ertice possui duas arestas partindo dele, uma no sentido da melhor opc¸˜ao de alinhamento posterior e uma no sentido da anterior. Com o grafo constru´ıdo, o algoritmo de caminho m´ınimo de Dijkstra ir´a retornar as coordenadas que devem receber um kit mesh. Em alguns cen´arios, o algoritmo LMP pode n˜ao encontrar uma soluc¸˜ao para um conjunto de coordenadas. A n˜ao existˆencia de uma soluc¸˜ao pode estar relacionada `a fatores como a distˆancia entre as coordenadas e `a presenc¸a de obst´aculos.
Ap´os a soluc¸˜ao ser encontrada, um conjunto de operac¸˜oes de p´os-processamento ir´a modific´a-la a fim de aprimorar algumas de suas caracter´ısticas. A primeira delas tem como objetivo solucionar uma ineficiˆencia que pode ocorrer devido ao uso de prioridades na escolha de certas coordenadas. Neste caso, usar prioridades pode resultar na selec¸˜ao de coordenadas de prioridades mais altas desnecessariamente, j´a que elas poderiam ser omi-tidas e a comunicac¸˜ao entre suas coordenadas vizinhas n˜ao seria prejudicada. A segunda operac¸˜ao de p´os-processamento est´a relacionada a existˆencia de duas soluc¸˜oes diferentes que podem ser obtidas pelo algoritmo de caminho m´ınimo. Como o grafo de alinhamento ´e direcionado e cada v´ertice possui duas arestas, a execuc¸˜ao do algoritmo de caminho m´ınimo partindo da primeira coordenada em direc¸˜ao `a ´ultima e da ´ultima em direc¸˜ao `a pri-meira resulta em duas soluc¸˜oes diferentes. O objetivo desta operac¸˜ao ´e criar uma terceira soluc¸˜ao que seja melhor que as duas encontradas. A operac¸˜ao de realocac¸˜ao resolve o pro-blema de proximidade entre coordenadas selecionadas que pode ocorrer devido `a presenc¸a de obst´aculos. Assim, alguns kits mesh podem ser realocados para outras coordenadas a fim de distribuir melhor o sinal recebido pelas coordenadas vizinhas. Detalhes dos pro-blemas e soluc¸˜oes apresentadas podem ser vistos em [Souza and Albuquerque 2010].
Por ´ultimo, caso seja desejado, o LMP pode adicionar dois tipos de redundˆancia `a soluc¸˜ao: a de cobertura e a de conectividade. O primeiro tipo de redundˆancia est´a
relacionado ao n´umero de kits mesh que devem cobrir cada coordenada que n˜ao pertence ao backbone da rede. A redundˆancia de conectividade, por sua vez, se relaciona com a quantidade de kits mesh que cada um consegue estabelecer uma conex˜ao.
3.2. Projeto da interface gr´afica
Como descrito anteriormente, a interface gr´afica foi desenvolvida em C++ utilizando a biblioteca MFC 9.0. Ao desenvolver aplicativos utilizando esta biblioteca ´e comum uti-lizar a arquitetura Document/View. Nesta arquitetura, existem duas classes bases princi-pais: CDocument e CView. A primeira ´e respons´avel pelo armazenamento e manipulac¸˜ao dos dados, enquanto a segunda apresenta estes dados de forma gr´afica. Por exemplo, em um editor de texto, a classe CDocument seria respons´avel por armazenar o texto e sua formatac¸˜ao, enquanto a classe CView apresentaria o texto formatado na tela. Esta separac¸˜ao ´e importante para que o armazenamento e manipulac¸˜ao dos dados fique o mais independente poss´ıvel. A Figura 3 apresenta as classes da ferramenta L-Planner que im-plementam a arquitetura Document/View.
Figura 3. Classes respons ´aveis pelo armazenamento e exibic¸ ˜ao das informac¸ ˜oes na tela.
Na Figura 3 as classes CRemoteUIDoc e CRemoteUIView s˜ao, respectivamente, especializac¸˜oes das classes CDocument e CView. Apesar de n˜ao herdar diretamente da classe CView, a CRemoteUIView ´e filha de uma de suas especializac¸˜oes, a classe CScrollView, que permite a utilizac¸˜ao de barras de rolagem. Pelo diagrama apresentado, ´e poss´ıvel perceber que o acesso a classe CRemoteUIDoc pela CRemoteUIView ´e reali-zado atrav´es da vari´avel membro m pDocument. Desta forma, a classe de visualizac¸˜ao poder´a acessar os dados e exibi-los na tela. Por ´ultimo, a classe CMainFrame representa a janela principal da ferramenta L-Planner. Ela ´e respons´avel por instanciar e gerenciar n˜ao s´o as classes CRemoteUIView e CRemoteUIDoc como tamb´em todas as outras classes de interface da ferramenta.
A classe CRemoteUIDoc ´e respons´avel por armazenar as informac¸˜oes que s˜ao fornecidas e obtidas do algoritmo LMP. Estas informac¸˜oes incluem as coordenadas, parˆametros, soluc¸˜ao e m´etricas. Estas informac¸˜oes tamb´em podem ser salvas em arquivo para que, por exemplo, n˜ao haja a necessidade de adic¸˜ao das coordenadas e parˆametros novamente.
Com as informac¸˜oes necess´arias pelo algoritmo LMP armazenadas na classe CRemoteUIDoc, a apresentac¸˜ao delas de forma visual ´e realizada n˜ao s´o pela classe CRemoteUIView como tamb´em por um conjunto de classes auxiliares. Estas classes s˜ao respons´aveis pela apresentac¸˜ao das coordenadas em forma de ´arvore (CNodeTreeCtrl), das m´etricas atrav´es de um grid (CMetricGridCtrl) e dos detalhes de uma coorde-nada (CPropertiesWnd). Tanto a instˆancia da classe CNodeTreeCtrl quanto a da CMetricGridCtrl s˜ao anexadas a um objeto da classe CMFCOutlookBar (Regi˜ao 2 da Figura 1), que, de forma autom´atica, permite a troca entre interfaces. A classe CPropertiesWnd ´e implementada de forma que possa ser ancorada em qualquer regi˜ao da interface principal ou escondida (Regi˜ao 4 da Figura 1).
Com a exibic¸˜ao das coordenadas e m´etricas sendo realizadas por interfaces auxili-ares, resta para a classe CRemoteUIView a responsabilidade de desenhar as coordenadas na tela (Regi˜ao 3 da Figura 1). Duas possibilidades de visualizac¸˜ao s˜ao disponibilizadas: vis˜ao a´erea, onde as coordenadas s˜ao apresentadas como se estivessem em um mapa, e vis˜ao vertical, onde a elevac¸˜ao das coordenadas ´e utilizada.
Para a aquisic¸˜ao e edic¸˜ao de parˆametros, trˆes classes de janelas de di´alogo s˜ao utilizadas: CAltitudeInfoDlg, CNewNodeDlg e CParametersDlg. A primeira delas ´e res-pons´avel por permitir a selec¸˜ao de arquivos GeoTIFF, utilizados pelo algoritmo LMP na an´alise de obst´aculos. A classe CNewNodeDlg realiza a adic¸˜ao e edic¸˜ao de coordena-das, enquanto a classe CParametersDlg permite a edic¸˜ao dos parˆametros relacionados ao sistema de r´adio a ser utilizado.
3.3. Utilizando a ferramenta
Com o funcionamento do algoritmo e o projeto da interface gr´afica apresentados, ´e im-portante detalhar a sequˆencia de etapas necess´arias para a utilizac¸˜ao da ferramenta. Ini-cialmente, o conjunto de coordenadas deve ser fornecido. Existem duas possibilidades de inserc¸˜ao de coordenadas: adicionar uma a uma sequencialmente ou adicionar um con-junto de coordenadas atrav´es de um arquivo texto. Depois que o concon-junto for adicionado, ele pode ser alterado, ou seja, coordenadas podem ser removidas, realocadas e ter sua ordem e elevac¸˜ao alteradas. Todas estas operac¸˜oes s˜ao disponibilizadas atrav´es de bot˜oes localizados na Regi˜ao 1 da Figura 1. Como apresentado anteriormente, as coordenadas podem ser visualizadas atrav´es de uma ´arvore e de uma representac¸˜ao geogr´afica (Regi˜oes 2 e 3 da Figura 1).
Depois de especificado o conjunto de coordenadas, os parˆametros relacionados ao sistema de r´adio, ao terreno e `a redundˆancia (de cobertura e conectividade) devem ser fornecidos. Da mesma forma que a manipulac¸˜ao de coordenadas, os parˆametros s˜ao definidos atrav´es de bot˜oes localizados na Regi˜ao 1 da Figura 1.
Com as coordenadas e parˆametros definidos, a execuc¸˜ao do algoritmo LMP ´e rea-lizada atrav´es do bot˜ao localizado na barra de informac¸˜ao (Regi˜ao 5 da Figura 1). Sempre que alguma alterac¸˜ao, no conjunto de coordenadas ou nos parˆametros, for realizada, o algoritmo deve ser executado novamente, o que ´e informado ao usu´ario atrav´es da barra de informac¸˜ao.
Ap´os a execuc¸˜ao do algoritmo LMP, a soluc¸˜ao pode ser visualizada atrav´es da ´arvore de coordenadas, cujo ´ıcone daquelas pertencentes a soluc¸˜ao ´e alterado, e atrav´es da representac¸˜ao geogr´afica, onde as coordenadas selecionadas s˜ao marcadas com a cor
preta. As m´etricas da soluc¸˜ao podem ser analisadas atrav´es da Regi˜ao 2 da Figura 1, quando a aba de m´etricas ´e selecionada. Dois tipos de m´etricas s˜ao apresentadas: as re-lativas `a soluc¸˜ao e as individuais. As m´etricas da soluc¸˜ao informam a quantidade de kits mesh utilizados, a m´edia do sinal, o pior sinal, a m´edia da interferˆencia, a interferˆencia mais forte, a m´edia da cobertura e a m´edia da conectividade. Em relac¸˜ao as m´etricas in-dividuais, caso a coordenada n˜ao possua um kit mesh, o n´ıvel de cobertura ´e informado, enquanto, no caso contr´ario, o n´ıvel de conectividade, a qualidade do sinal recebido pelos vizinhos anterior e posterior e a interferˆencia recebida dos vizinhos anteriores e poste-riores s˜ao fornecidas. Um exemplo de exibic¸˜ao de m´etricas pode ser visto na Figura 4. Maiores detalhes sobre a descric¸˜ao das m´etricas e como s˜ao calculadas podem ser vistos em [Souza and Albuquerque 2010].
Figura 4. Interface de exibic¸ ˜ao de m ´etricas.
4. Resultados
Para o projeto REMOTE, soluc¸˜oes para a linha de transmiss˜ao que liga as cidades de Ma-chadinho a Campos Novos foram realizadas manualmente. A primeira delas, foi criada com o intuito de utilizar a menor quantidade de kits mesh poss´ıvel. Como este ´e objetivo principal do algoritmo LMP, utilizado pela ferramenta L-Planner, a Tabela 1 apresenta um comparativo entre a soluc¸˜ao manual e duas encontradas pela ferramenta, uma utili-zando prioridades e a outra considerando que todas as coordenadas podem ser escolhidas igualmente.
Tabela 1. Comparativo entre a soluc¸ ˜ao encontrada pela ferramenta L-Planner e a soluc¸ ˜ao manual
LMP LMP Manual
Sem Prioridade Com prioridade
N´umero de Kits 14 16 16
M´edia do Sinal (dBm) -49.95± 6.27 -48.92± 5.86 -46.84± 9.60 Pior Sinal (dBm) -56.66 -56.66 -58.07 M´edia da Interferˆencia (dBm) -68.78± 4.70 -69.07± 4.55 -69.58± 4.28 Interferˆencia Mais Forte (dBm) -62.41 -63.31 -63.19 N´umero de Coordenadas Descobertas 0 0 1
Como se pode observar pelos resultados, os valores das m´etricas encontrados pelo algoritmo, utilizando o conjunto de entrada com prioridade, s˜ao muito similares ao rea-lizado de forma manual. Algumas m´etricas, inclusive, como o pior sinal e interferˆencia mais forte, apresentaram melhores resultados. Apesar da m´edia do sinal ser mais fraca na
soluc¸˜ao do LMP, ele ´e melhor distribu´ıdo ao longo da linha, como o desvio padr˜ao mostra. Al´em disso, outro detalhe relevante ´e o n´umero de coordenadas descobertas da soluc¸˜ao manual. O algoritmo LMP foi projetado para n˜ao permitir a construc¸˜ao de soluc¸˜oes que possuam coordenadas descobertas.
A soluc¸˜ao sem prioridade necessitou de menos kits mesh, ao custo de algumas m´etricas. Um resultado interessante ´e o valor da m´edia da interferˆencia mais alto na soluc¸˜ao com menos kits, que pode ser explicado pelo uso de antenas direcionais. Quanto mais estreito for o padr˜ao de irradiac¸˜ao, a interferˆencia passa a assumir um efeito bin´ario. Caso a antena do transmissor de um par de comunicac¸˜ao esteja levemente alinhada com a do receptor de outro par, a interferˆencia ser´a alta, e caso n˜ao esteja, este valor ser´a baixo. Isto ´e o que ocorreu com a soluc¸˜ao sem prioridades.
5. Conclus˜ao
Neste trabalho, o desenvolvimento da ferramenta L-Planner foi apresentado. Em con-junto com o algoritmo LMP, o objetivo da ferramenta L-Planner ´e permitir o planeja-mento autom´atico de redes em malha sem fio lineares. Este planejaplaneja-mento deve respei-tar as restric¸˜oes de cobertura e conectividade utilizando padr˜oes de irradiac¸˜ao e an´alise de obst´aculos. Por ser realizado de forma autom´atica, a ferramenta L-Planner retira do usu´ario a necessidade de analisar, manualmente, a viabilidade de comunicac¸˜ao entre as coordenadas durante o processo de planejamento da rede.
Apresentando resultados similares ao planejamento manual realizado no projeto REMOTE, a ferramenta L-Planner se apresenta como uma boa opc¸˜ao para agilizar o pro-cesso de planejamento de redes em malha sem fio lineares.
Al´em das linhas de transmiss˜ao de energia, a ferramenta L-Planner pode ser utili-zada para o planejamento de redes em situac¸˜oes similares, como, por exemplo, ao longo de estradas, oleodutos, gasodutos e rios.
Agradecimentos
Agradecemos o apoio da FAPERJ e da TBE no desenvolvimento deste trabalho.
Referˆencias
Coud´e, R. (1988). Radio mobile - http://www.cplus.org/rmw/english1. html. Acessado em Fervereiro de 2011.
Gerk, L., Passos, D., Muchaluat-Saade, D. C., and Albuquerque, C. (2009). Infra-estrutura de comunicac¸˜ao em malha sem fio para supervis˜ao e controle de sistemas de transmiss˜ao de energia. In Espac¸o Energia, volume 10, pages 1–10.
Microsoft (2007). Mfc - http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ d06h2x6e\%28v=VS.90\%29.aspx. Acessado em Fervereiro de 2011.
Robinson, J. and Knightly, E. (2007). A performance study of deployment factors in wireless mesh networks. In INFOCOM 2007. 26th IEEE International Conference on Computer Communications. IEEE, pages 2054 –2062.
Souza, F. and Albuquerque, C. (2010). Linear wireless mesh network planning. In 9th International Information and Telecommunication Technologies Symposium (I2TS 2010).
